論慣性的本質和起源

論文類別:理學論文 > 物理學論文
論文作者: 王新平
上傳時間:2009/6/1 15:53:00

  論文關鍵詞:慣性

  大家知道:物體自身的重力,也就是牛頓用他的万有引力定律雄辯的證明了的地球作用於物體的引力,从古至今就一直客觀的存在著。然而,由於牛頓是在伽利略、笛卡兒等人的基礎上首先建立了三大運動定律,然後才运用第二運動定律和開普勒行星運動第三定律導出了引力定律,再然後牛頓才逐漸地認識到了引力的“普遍性”或“萬有性”。所以說,牛頓運動定律自然就沒有體现出物體自身的引力亦即重力這一作為內因的內力與物体運動的重要關系。因此,由牛頓運動定律給出的物體运動與力的關系以及牛顿運動定律本身,就不是最完美,最科學的終極真理,而是在一定的客觀歷史條件下人類所達到的帶有邏輯思維漏洞的,對客觀事物一定程度、一定層次的相對正確的反映,它们是可以深化、發展和進一步完美、完善的。

  大家知道:力學是物理學中發展最早的一个分支,它和人類的生活與生產聯系最為密切。和物理學的其他部門相比,力學的研究經歷了更為漫長的過程,幾達兩千年之久,才由伽利略把科學思維和實驗研究結合到一起,為力學的發展開辟了一條可行的道路。牛頓在此基础上最終建立的經典力學體系不愧為全部自然科學的主導和領军學科。然而,牛頓為后人也留下了太多的難題。

  引力的本質和作用機制是什麽?

  慣性的本質是什麽?是怎樣起源的?

  同一物體的慣性质量與它的引力質量為何相等?

  後來發現的庫侖定律與萬有引力定律為何如此的十分相似?它們的相似是科學上的一種巧合?還是在更深奥的本質上存在著內在的逻輯上的聯系?

  ……

  “有待探索的真理的海洋”一直展現在牛頓和他的追隨者的面前。

  後來人总要吸收前人的聰明才智,因而人類的認識總是要向上發展的。只要我们從本文開頭所列舉的事實中敢於懷疑並大膽的確認牛顿運動定律是非終極真理,並能夠正確的運用更輝煌、更偉大的牛頓引力理論的巨大成就,修補運動定律的邏輯思辨漏洞,力學中很多重要的基礎理论問題其實也不難解決。

  讓我們先從慣性定律談起。

  大家都很清楚,今天的力學教材中普遍就是這樣阐述的:伽利略首先发現,運動物體之所以会停下來,是因為受到了摩擦阻力的緣故,他根據從斜面實驗中得到的近似的結论進一步作了合理的推想之後而斷言:一旦物體具有某一速度,只要沒有加速或減速的原因,此物體將永遠以這一速度運動下去。伽利略的這個從理想實驗中得到的結論隔了一代以後由牛頓把它寫成了慣性定律——牛頓力學理論大厦的基礎。


  在惯性定律的基礎上,牛頓根據兩個實驗結論,即加速度與外力的正比關系和加速度與質量的反比關系,進一步建立了第二運動定律。

  牛頓力學巨大的歷史功績和其自身的輝煌成就無庸質疑。然而,牛頓運動定律为何又無法明確的說明習以為常的慣性的本質和起源呢?

  愛因斯坦在《物理学的進化》一書中談到:“一輛四匹马駕的車比一輛兩匹馬駕的車運動得快一些。”同樣:一輛四匹馬驾的空車比車上裝滿重物時跑得快。這樣,直覺告訴人們,物體運動的狀態根作用外力有關,同時的確還跟自身的重力即引力有關。
  牛頓運動定律告訴人们,質量大的物體慣性大,質量是物體慣性大小的量度。我們應該清楚,慣性概念來源於人類的生活實踐,在慣性定律建立之前早就產生了,在古希臘時代就已經存在,春秋戰國時期,我國偉大的《墨經》一書就對運動的相對性……慣性等物理現象作了分析說明。今天的人們根據牛頓萬有引力定律知道:在地球表面,凡有質量的物體因其自身的引力必然具有重力這一內力。重力、引力是任何物体必然自身攜帶的內力,是物體的共性,是和物體的質量不可分離的內禀性質。物體的這一作為內因的內力時時刻刻都在參與制約著物體自身的運動行為,因此拋開物體自身的引力、重力這一內因來談論物體慣性的本質和起源,就是毫無意義的。大家清楚,質量大的物體重量也大。在相同外力的推動下,重的物體不易起動,慣性大;輕的物體易起動,慣性小。可見,重量同樣可以用來量度物體的慣性。

  如果物體的慣性果真是由物體的引力本性引起的。那麽,在建立的過程中,由於伽利略—牛顿當時根本沒有引力觀念而將物體自身的引力、重力这一內因與物體運動的這一層關系排除在外的,帶有邏輯思維漏洞的牛頓運動定律自然就无能為力將物體慣性的本質和起源看成是由物體的引力本性引起的。

  那麽,無法說明慣性的本質和起源,帶有邏輯思維漏洞的牛顿第二定律——動力

  學方程,又為何能夠成為人類認識自然、改造自然的強大武器呢?

  大家清楚:根据牛頓後來發現的萬有引力定律我們明確的知道,在地球表面的同一地方,任何物體的质量與它的重量嚴格的成正比。因此,如果物體的惯性是由物體的引力產生和決定的。那麽,在近代物理科學普遍采納的數理邏輯的基礎上,在一定的客观歷史認識水平的局限下,牛頓借用质量概念或者借用重量概念來建立動力學方程,在數學效果上必然就是完全等效的。但質量的本質含義是指物體所含物質的多少,而重量是物體受到的重力即地球引力的量度。所以,如果牛頓是借用重量概念建立了第二運動定律,那麽在萬有引力定律被發現後,人们知道了重力與引力的關系後,自然就會把慣性的本質和起源歸結到物體的引力本性上來。

  但是,由於在伽利略和牛頓建立运動定律的時代,人类還沒有能夠從引力的這一高度明確地認識到重力是自然界物體本身所固有的屬性,是物體無法回避而必須要受到的制約物体運動狀態的內力。因此,牛頓的思維就仍然的受到了傳統觀念的影響;既然在第一定律的意義下把慣性看成是物體在不受力時所具有的保持原來运動狀態的屬性,那麽牛頓就自然而然的“蔑視”了輕物体容易起動,重物體不易起動的事實,拋開了物體自身的重力對運動的制約作用,引進了質量的概念,建立了動力学方程。這樣, 牛頓第二定律在第一定律的基礎上就仍然的把物體慣性的產生機制——重力、引力排除在運動定律之外了。質量這一物理量的本質含義是指物體所含物質多少的量度。既然物體的重力、引力客觀存在,那麽任何物體所含的物質內部必然存在著可以持續不斷的产生和接受引力的機制,因此,質量大的物體引力也大。如果物體的慣性是由引力產生的,質量大的物體所含的物質多,產生的引力就大,因而惯性也大。因此利用質量概念建立的動力學方程就无法說明慣性的本質和起源。同樣,利用動力學方程和开普勒第三定律導出的引力定律也無法說明引力的作用機制。所以說,動力學方程就是數學

免費論文下載中心 http://www.hi138.com   意義明確,物理終極意義模糊,在“只知其然而不知其所以然”的數理逻輯的指導作用下建立的非终極真理——物理實驗定律。

  我們看到:在慣性定律建立的過程中,摩擦力是一個非常特殊的至關重要的概念。顯然,伽利略和牛頓都認為,使運動物體減速的原因——摩擦力,跟物體受到的拉力或推力一樣,也是物體受到的外力。事實上,摩擦力根本不同於物體受到的拉力或推力等外力。摩擦力也和重力、引力一樣,質量是决定它的大小的最主要的因素。比如,一輛汽車受到的摩擦力往往大於一輛人力車受到的摩擦力。但一個物體受到的其他物體施加給它的拉力或推力等外力的大小单純由外在因素所決定,與物體本身的質量的大小等物理屬性毫無關系。大家應該清楚,摩擦力有一個經驗公式——摩擦力的大小等於物體對地面的正壓力乘以摩擦系數。而一般情況下,即沒有特殊的外因增加正壓力時,物體對地面的正壓力其實正好就是物体自身的重力,於是摩擦力与重力、引力嚴格的成正比關系。可見,摩擦力與物體的重力、引力這一內力有着密不可分的邏輯內在聯系。摩擦力與拉力和推力等外力的區別至少還有四個方面,在這篇廣告性的短文中也就不再多說了。總之,物體相對於静止的大地運動時,物體自身的重力、引力是產生摩擦阻力的先決条件。所以在相對於靜止的地面的機械運動中,物體受到的摩擦阻力,是由物體自身的引力—重力這一內稟性質決定的物體的“次級内稟性質”,是物體的引力—重力這一作為內因的內力參與制約物體的運动狀態的具體表現形式。物體相對于靜止的大地處於靜止狀态還是運動狀態,完全就是由物體受到的拉力或推力等作為外因的外力和物體自身的主要由質量—引力—重力決定的最大靜摩擦力這一作為內因的內力這兩方面的相對強弱來決定的。
  现在,我們就可以解釋和回答爭論了三個多世紀的慣性的本質和起源這一問題了。  

  今天的人們,在運動定律的基礎上,有了更偉大、更輝煌的牛顿引力理論作為認識自然現象的更重要的思想理論基礎。我們就

  應该清晰的看到:地球表面的物體,因其自身的引力、重力這一內稟性质,在地面上靜止時便产生了靜摩擦力。萬物正是由於自身的靜摩擦力這一內稟性質,防蔽了自然界的“風吹草動”等外來因素,因而物體才具備了能夠相對於地面保持靜止這一性能。一句話,靜止這一慣性特性的內在機制歸根結底就是物體的萬有引力這一作為內因的内力、內稟性質。

  物體在地面上運動的過程,也就是外力克服摩擦阻力對物體做功的過程。根據功能原理,運動物體將同时獲得一定大小的動能,物體也就相對於大地具有了一定大小的速度。運動物體所受到的外力停止作用後,動能在摩擦阻力做負功的作用下立即減小,但減至為零必有一個時間過程。因此運動物體在停止受力後並不立即轉入靜止狀態。這就是物體具备“繼續”保持其運動狀態這一慣性特性的合情合理的內在機制。這一解釋與在牛顿運動定律的基礎上建立起來的功能原理、動能定理等更系統的力學理論是多么的協調一致,難道不算是十分完美的慣性運動的本質和起源的正確解釋嗎?

  根據运動物體所受的外力停止作用後,動能在摩擦阻力做负功的作用下立即減小這一理论上的和實踐中非常容易觀察到的事實來判斷,物體的慣性運動一定是減速運動,物體根本不可能具備由第一定律定義的在“停止受力後還能保持勻速直線運動的狀態” 這樣的性能。所有的力學教科書在講述了第一運動定律之后,立即便對慣性下了這樣的定义:“物體的這種保持原來的勻速直线運動狀態或靜止狀態的性質叫做慣性。”並進一步寫道:(所以)牛頓第一定律又叫做慣性定律。

  我們已經说過,慣性概念來源於生活实踐,它在第一定律建立之前早就已經產生了。用力推、拉物體或小車之後,靜止的物體或小車開始運動;停止推、拉的作用後,物体或小車因“慣性”而運動。這恐怕就是產生慣性概念的最初源泉。所以,慣性首先應該就是物體可以表現出來的,我們人類確確實实能夠感受到的物體的習以為常的性能。牛頓第一定律所講的只是一種想象中的理想化了的状態。物體不可能處於理想化的狀態中,因此物體也就無法表现出由牛頓第一定律定義的那樣的慣性。那麽?人們為何又要根據牛頓第一定律來定義慣性的標准概念,並反過來根據慣性的“标準定義”又將第一定律提升為“慣性定律”呢?這個緊密聯系著長達二千多年的歷史認識過程的問題在這篇廣告性的“短文”中就不再闡述了。

  正因為第一定律描述的只是一種理想化了的狀态,因此第一定律從本質上講就是一座“空中樓閣”。但建立 “慣性定律”這座空中樓閣是力學發展的必經之路。當力學從古代的靜力学進入到近代的靜力學並由伽利略将它發展成運動學之後,牛頓所面临的選擇就是要尋找运動和力關系的數學方程。今天的人們,在更偉大、更輝煌的牛頓引力理論的基础上,應該清晰的認識到:在地表水平面上,物體的引力—重力—摩擦阻力這一作为內因的內力的作用,就是將物體静止在地面上;物體可受到也可以不受的純粹由外因引起的拉力或推力等外力就是使物體運動的原因。的確,一旦承認引力—重力—摩擦阻力是物體的內力、內禀性質,將物體的這一內力包括在更科學的“物體的概念”之內,就可以在理論上和現實中對勻速直線運動獲得统一的認識:物體的勻速直線運動需要外力來維持。綜合牛頓第二定律,我們將得到更為科學的結論:外力的作用不但體現為物體的加速度,而且體現為物體的速度。顯然,只有当物體受到某一方向的持续不斷的大於物體最大靜摩擦力的外力的作用時,物体才由靜止狀態進入到加速運動狀態;當物體加速到單位時間內摩擦力所做的負功正好等於外力對物體所做的正功的絕對值時,物體就以此時的速度繼續做勻速直線運動。運動與力的關系是如此的復雜,然而三個多世纪之前的牛頓祖師所面臨的情况就是“巧婦難為無米之炊”。

  牛頓在伽利略等人的基礎上建立起來的第一定律的偉大功績,恰恰是因為它適應了當時的客觀歷史認識條件的局限性的要求。牛頓只有在第一定律中將勻速直線運動和静止狀態放到同一高度,根據伽利略斜面實驗的近似結論,用假想的摩擦力完全不存在時的“合理結論”,將外力與勻速直線運動的這一層关系過濾掉,他才能找到在第一定律的作用下簡化了的第二定律的数學方程。否則,牛顿怎麽能夠超越於日常的生活經驗的直覺——速率主要是跟作用力有關(即愛因斯坦後來所說的“一輛四匹馬駕的車比一輛兩匹馬駕的車運動得快”)“違心”的建立作用力僅僅只跟加速度有關的第二定律的數學方程呢?

  在沒有引力觀念,無法對物体的靜止狀態的深奧內涵獲取明曉的認識,根本不可能對物體的受力情况作出完整的科學分析的歷史条件下,牛頓的思維只有蹬上“慣性定律”這座空中樓閣,巧妙地引入實際上是包括了重力、引力在內的一切對物體的運動狀態產生影响的所有的環境因素的總和——合外力的概念之後,他才能“看到”簡化了的“外力”與加速度的數量關系。否則,即使牛頓再天才一倍,在當時的客觀歷史認识水平的局限下,不但不可能找到完美的精確的運動与力的數量關系,而且也不可能找到简化了的運動與力的數學方程——牛頓第二定律。

  第一定律與第二定律的這種邏輯缺漏與相互補充的關系,猶如一個雙目失明的人背著一個只有一條腿的人,兩者组成了“協調一致”的“可行走”的人。

  本想寫一篇廣告性的短文,但由於本文所涉及的題材確实重大,而觀點又似乎是太“離經叛道”,文字少了便沒有說服力,因而自然而然的寫了這麽多,那就到此為止吧?關於慣性力到底是不是虚擬力,用牛頓引力理論彌補運動定律的邏輯漏洞,慣性質量與引力質量相等的理由,現代科学中的“慣性原理”等問题的討論將在其它幾篇文章中闡述。

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